The Redshift-Space Cluster-Galaxy Cross-Correlation as a Probe of Gravity on Cosmic Scales

Decennialang is het meest prangende mysterie in de kosmologie de versnellende uitdijing van het universum geweest. Wetenschappers weten dat het heelal steeds sneller uitrekt, maar ze verschillen van mening over de oorzaak. Een mogelijkheid is dat het universum gevuld is met een mysterieuze, afstotende energie die de ruimte uit elkaar duwt. De andere is dat ons begrip van zwaartekracht zelf incompleet is. Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie heeft elke test doorstaan die eraan is voorgelegd, van de beweging van planeten tot de botsing van zwarte gaten, maar het zou kunnen falen op de enorme schalen van het kosmos. Als de zwaartekracht op deze enorme schalen anders werkt, zou dat de wetten van de fysica herschrijven. Om het antwoord te vinden, moeten onderzoekers de zwaartekracht in actie zien, specifiek hoe deze materie bij elkaar trekt om de massieve structuren te vormen die het universum doorsieren.

Het universum is geen gladde, lege leegte; het is een web van filamenten en klonten. Op de kruispunten van dit web bevinden zich clusters van sterrenstelsels, de meest massieve structuren die bestaan, die honderden of duizenden sterrenstelsels bevatten die door zwaartekracht aan elkaar gebonden zijn. Terwijl sterrenstelsels naar deze massieve clusters vallen, versnellen ze, wat een stroom van materie creëert die bekend staat als 'infall' (instroom). In de standaardtheorie van de zwaartekracht wordt de snelheid van deze instroom precies bepaald door de massa van de cluster. Echter, als de zwaartekracht in bepaalde omgevingen sterker is dan Einstein voorspelde, zouden deze sterrenstelsels sneller vallen. Door te meten hoe snel sterrenstelsels naar clusters bewegen, kunnen astronomen testen of de zwaartekracht zich precies gedraagt zoals verwacht, of dat het tekenen vertoont van een "vijfde kracht" die de spelregels verandert.

Een team van onderzoekers heeft nu krachtige computersimulaties gebruikt om te voorspellen hoe goed een nieuwe, massieve telescoopsurvey deze test zal kunnen uitvoeren. De studie richt zich op het Dark Energy Spectroscopic Instrument, of DESI, dat momenteel de posities en snelheden van miljoenen sterrenstelsels in kaart brengt. De onderzoekers bouwden een gedetailleerd virtueel universum met behulp van de AbacusSummit-simulaties, een reeks supercomputermodellen die de beweging van donkere materie en sterrenstelsels volgen. Ze vulden deze virtuele wereld met fictieve sterrenstelsels en clusters, waarbij ze de specifieke typen objecten nabootsten die DESI zal observeren. Hun doel was om te zien of de gegevens van DESI nauwkeurig genoeg zouden zijn om zelfs minuscule afwijkingen in de snelheid van instromende sterrenstelsels te detecteren, wat een breuk in de algemene relativiteitstheorie zou signaleren.

De onderzoekers concentreerden zich op een specifieke manier om de gegevens te bekijken: de roodverschuivings-ruimte cross-correlatie tussen sterrenstelsels en clusters. In de astronomie is "roodverschuiving" een maat voor hoe snel een object van ons af beweegt door de uitdijing van het universum, maar het wordt ook beïnvloed door de eigen beweging van het object door de ruimte. Wanneer sterrenstelsels naar een cluster vallen, vervormt hun beweging de schijnbare vorm van de cluster in de gegevens, waardoor deze wordt uitgerekt of samengedrukt, afhankelijk van de richting van de stroom. Deze vervorming is een directe vingerafdruk van de werkende zwaartekracht. Het team simuleerde dit effect en maakte een virtuele kaart van hoe sterrenstelsels en clusters zijn gerangschikt en hoe hun bewegingen die rangschikking vervormen. Ze testten vervolgens hoe gevoelig deze kaart zou zijn voor veranderingen in de sterkte van de zwaartekracht, vertegenwoordigd door een enkele factor die de instroom kan versnellen of vertragen.

De resultaten van de voorspelling zijn veelbelovend. De studie sugggeert dat de DESI-survey in staat zal zijn de sterkte van de zwaartekracht in deze regio's van clusterinval te meten met een precisie van ongeveer 3,3 procent. Dit niveau van nauwkeurigheid is een aanzienlijke stap voorwaarts ten opsicht van eerdere pogingen met oudere surveys, die beperkt werden door statistische ruis en niet veel alternatieve theorieën van zwaartekracht konden uitsluiten. Met deze nieuwe precisie vonden de onderzoekers dat DESI met een hoge mate van vertrouwen het verschil kan zien tussen de standaard algemene relativiteitstheorie en verschillende populaire theorieën van gemodificeerde zwaartekracht, zoals f(R)-zwaartekracht en Galileon-zwaartekracht. Specifiek zouden de gegevens sterk genoeg zijn om deze alternatieve modellen te verwerpen als ze waar zouden zijn, of ze te bevestigen als het universum zich inderdaad anders gedraagt dan Einstein voorspelde.

Een grote uitdaging in dit soort onderzoek is het scheiden van het signaal van de zwaartekracht van de rommelige details van hoe sterrenstelsels ontstaan en leven binnen halo's van donkere materie. De onderzoekers moesten rekening houden met veel onzekerheden, zoals hoe sterrenstelsels binnen clusters zijn verdeeld en hoe nauwkeurig we de massa van een cluster kunnen schatten op basis van wat we zien. Ze ontdekten dat hoewel deze onzekerheden het beeld compliceren, ze het signaal van de zwaartekracht niet verbergen. De meest significante hindernis bleek de onzekerheid te zijn in de relatie tussen de zichtbare eigenschappen van een cluster en de werkelijke massa ervan. Als deze relatie niet goed begrepen wordt, kan dit het effect van gemodificeerde zwaartekracht nabootsen. Echter, door de meting van de bewegingen van sterrenstelsels te combineren met het totale aantal geobserveerde clusters, toonden de onderzoekers aan dat deze verwarring kan worden opgelost, waardoor het ware gravitationele signaal duidelijk naar voren komt.

De studie keek ook naar hoe goed de survey de fundamentele eigenschappen van het universum kan meten, zoals de hoeveelheid materie die het bevat en hoe klonterig die materie is. De voorspelling geeft aan dat dezelfde gegevens die worden gebruikt om de zwaakte van de zwaartekracht te testen, ook zeer strikte beperkingen zullen bieden aan deze kosmologische parameters, met een nauwkeurigheid van ongeveer 1 procent. Cruciaal is dat de metingen van de zwaartekracht en de metingen van de samenstelling van het universum niet met elkaar verstrengeld zijn; ze kunnen onafhankelijk van elkaar worden bepaald. Dit betekent dat wetenschappers niet hoeven te gokken naar de hoeveelheid materie in het universum om de zwaartekracht te testen, noch een specifieke theorie van de zwaartekracht hoeven aan te nemen om de inhoud van het universum te meten.

In de toekomst benadrukken de onderzoekers dat deze voorspelling een simulatie is van wat er zal gebeuren, en geen meting van wat er al is gebeurd. De volgende stap is het toepassen van deze methoden op de echte gegevens die DESI momenteel verzamelt. Het team is van plan om meer geavanceerde instrumenten te bouwen om de gegevens te interpreteren, inclusief betere modellen voor hoe clusters worden geselecteerd en hoe sterrenstelsels zich daarin bewegen. Ze zijn ook van plan om deze ideeën te testen over verschillende afstanden in het universum, om te controleren of de sterkte van de zwaartekracht in de loop van de tijd verandert. Als de voorspellingen standhouden, zal de DESI-survey een van de meest directe en krachtige tests van de zwaartekracht ooit bieden, waarbij de onzichtbare krachten worden onderzocht die het kosmos vormen op schalen waar de theorie van Einstein eindelijk zijn grenzen zou kunnen bereiken.